CN103647250B - 电磁型欠压脱扣器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，所述启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，这种电磁型欠压脱扣器极其控制方法，通过微型计算机进行控制电路控制，控制思路清晰，电路结构精简巧妙；电路设置了启动绕组和工作绕组双线圈电磁铁，启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，启动绕组工作电流大，启动力矩大，可确保电磁铁吸合；工作绕组工作电流小，提供电磁铁的维持吸合的基本功率，发热量极小。

Description

电磁型欠压脱扣器及其控制方法

技术领域

本发明涉及欠压脱扣技术领域，尤其涉及一种电磁型欠压脱扣器及其控制方法。

背景技术

欠压脱扣器是断路器，尤其是框架式断路器的重要元件之一。欠电压脱扣器是在它的端电压降至某一规定范围时，使断路器有延时或无延时断开的一种脱扣器，当电源电压下降，甚至缓慢下降到额定工作电压的70％至35％范围内，欠电压脱扣器应运作，欠电压脱扣器在电源电压等于脱扣器额定工作电压的35％时，欠电压脱扣器应能防止断路器闭全，脱扣器线圈失电，线圈内活动衔铁有复位弹簧顶出—脱扣；电源电压等于或大于85％欠电压脱扣器的额定工作电压时，在热态条件下，应能保证断路器可靠闭合，脱扣器线圈得电，线圈内活动衔铁有线圈电磁力克服弹簧力吸入并保持一定力矩—吸合。欠压脱扣的本质，是防止断路器下级电器设备工作在欠压状态下电流过大后，电器设备自身发热加重的有效措施。

现有电磁型欠压脱扣器普遍存在线圈发热量高、欠压脱扣器启动力矩小和电路过于复杂等问题；特别是越来越小型化的断路器的要求，欠压脱扣器也小型化，小型化的欠压脱扣器多半以塑料件为线圈骨架，塑件骨架易受高温、型变、老化、尘埃污染等不良因素影响，导致活动衔铁常有被“卡死(不吸合)”等现象发生；即便是全金属化结构的小型欠压脱扣器，也有类似现象发生；最终致使到断路器不能合闸，影响了电网运行，但如果增加电磁铁的维持功率，便会导致线圈发热量高，导致脱扣器被烧坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决现有电磁型欠压脱扣器普遍存在线圈发热量高、欠压脱扣器启动力矩小和电路过于复杂等问题，本发明提供了一种电磁型欠压脱扣器及其控制方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，所述滤波整流电路的输入端接电网电压并在输出端输出直流电压VH，所述直流电压VH接入到电源电路和采样电路，所述电源电路输出第一工作电压VCC1到控制模块和驱动模块，输出第二工作电压VCC2到驱动模块，所述采样电路输出采样信号SA到控制模块，所述电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的启动绕组和工作绕组，所述启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，所述驱动模块包括第一驱动电路和第二驱动电路，所述控制模块向第一驱动电路输出第一控制信号P1，所述第一驱动电路的输出端与启动绕组的一端连接，所述启动绕组的另外一端接直流电压VH，所述控制模块向第二驱动电路输出第二控制信号P2，所述第二驱动电路的输出端与工作绕组的一端连接，所述工作绕组的另外一端接直流电压VH。

具体的，所述滤波整流电路包括EMC电路和整流桥B1，所述EMC电路的输入端接电网电压，输出端与整流桥B1连接，所述整流桥B1的负输出端接地，正输出端输出直流电压VH，所述采样电路包括电阻R1、R2和并联在电阻R2两端的电容C0，电容C0用于抗高频干扰，所述整流桥B1的正输出端依次串联电阻R1、R2后接地，所述采样信号SA为电阻R1和电阻R2之间的引出电压。

所述电源电路包括电阻RW1、RW2、三极管WT、稳压二极管Z1、电容CD1、CD2、CD3和三端稳压器W1，所述整流桥B1的正输出端接电阻RW1的一端和RW2的一端，所述电阻RW1的另外一端与三极管WT的集电极连接，所述电阻RW2的另外一端与三极管WT的基极连接，所述三极管WT的基极还与稳压二极管Z1连接，所述三极管WT的发射极输出所述第二工作电压VCC2，所述三极管WT的发射极还接电容CD1和三端稳压器W1的输入端，所述三端稳压器W1的输出端输出所述第一工作电压VCC1，所述三端稳压器W1的输出端与电容CD2、CD3连接，电源电路还可以是串联式降压电源、开关式隔离或者非隔离电源，第一工作电压VCC1为3.3V或者5V，第二工作电压VCC2为12V或者15V。

所述控制模块包括单片机PIC12F675和拨码开关SW，所述单片机PIC12F675的GP0引脚输出第一控制信号P1，GP1引脚输出第二控制信号P2，GP2引脚与拨码开关SW连接，GP3引脚设定为MCLR，作为复位输入端，GP4引脚和GP5引脚接采样信号SA，GP4引脚用于电网电压的过零检测，铁芯完全吸合后，对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，防止工作绕组发热；VSS引脚与三端稳压器W1的输出端连接，VDD引脚接地。

所述第一驱动电路包括三极管T1、T2、T3，电阻RT1、RT2、RT3、RT4，电容C1、C2和MOS管Q1，所述电容C1并联在电阻RT1两端，所述电容C2并联在电阻RT2两端，所述三极管T1的基极接三端稳压器W1的输出端，集电极分别与电阻RT3的一端和三极管T2的基极连接，三极管T1发射极与电阻RT1的一端连接，所述电阻RT1的另外一端接单片机PIC12F675的GP0引脚，所述电阻RT3的另外一端接第一工作电压VCC1，所述单片机PIC12F675的GP0引脚还与电阻RT2的一端连接，电阻RT2的另外一端接三极管T3的基极，所述三极管T3的发射极接地，集电极分别与电阻RT4的一端和MOS管Q1的栅极连接，所述电阻RT4的另外一端与三极管T2的集电极连接，所述三极管T2的发射极接第一工作电压VCC1，所述MOS管Q1的源极接地，漏极接启动绕组的一端，所述启动绕组的另外一端接整流桥B1的正输出端，所述第二驱动电路可以与第一驱动电路的结构完全相同，也可以是不同的例如SCR驱动电路。

所述启动绕组的两端还并联有反向二极管D1，所述工作绕组的两端还并联有反向二极管D2，反向二极管D1和D2用于续流启动绕组和工作绕组在关断时间反峰电流，保护第一驱动电路和第二驱动电路。

一种电磁型欠压脱扣器的控制方法，包括：

(a)输入电网电压前，在单片机PIC12F675中录入程序，通过程序设定第一电压值U1、第二电压值U2和第三电压值U3，电网电压的额定电压值为Ue，28％Ue≤U1≤32％Ue，48％Ue≤U2≤52％Ue，80％Ue≤U3≤85％Ue；

(b)电网电压输入滤波整流电路，电压值从0升至额定电压值Ue，

当采样信号SA＝U1时，GP1引脚输出第二控制信号P2，第二驱动电路控制工作绕组持续得电，铁芯为脱扣状态；

当采样信号SA＝U2时，时间点为t₁，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，脉冲时间宽度t₀，第一驱动电路控制启动绕组短暂得电后失电，铁芯完成预吸合动作，根据脉冲时间宽度t₀，铁芯执行完全吸合的行程1/2～1/4后返回为脱扣状态；

当采样信号SA＝U3时，时间点为t₂，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，第一驱动电路控制启动绕组得电，铁芯完全吸合后并维持为吸合状态；

(c)当电网电压的电压值从额定电压值Ue逐渐降低，采样信号SA＝U2时，GP1引脚停止输出第二控制信号P2，第二驱动电路停止驱动工作绕组，工作绕组失电，铁芯脱扣。

所述电磁铁的临界振荡周期为T_s，(b)中单片机PIC12F675计算得到电网电压的电压值的上升速度为s，根据s和T_s设定U2和U3，使t₂-t₁≈T_s，从而实现谐振式吸合，确保铁芯的可靠吸合。

(b)中所述单片机PIC12F675通过GP4引脚进行电网电压过零检测，并以过零点为时间基准对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，斩波控制降低第一驱动电路和第二驱动电路中开关元件的电压应力，在过零点附近不斩波，以保持过零点附近瞬时功率仍然大于电磁铁最小维持功率。

特别的，(c)中调节拨码开关SW并将信号T输入GP2，所述单片机PIC12F675对信号T进行A/D转换并控制GP1引脚的断开时间，使电磁铁延时脱扣或者瞬时脱扣。

本发明的有益效果是，这种电磁型欠压脱扣器极其控制方法，通过微型计算机进行控制电路控制，控制思路清晰，电路结构精简巧妙；电路设置了启动绕组和工作绕组双线圈电磁铁，启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，启动绕组工作电流大，启动力矩大，可确保电磁铁吸合；工作绕组工作电流小，提供电磁铁的维持吸合的基本功率，发热量极小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的电路原理图。

图2是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的电源电路的原理图。

图3是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的控制模块的原理图。

图4是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的第一驱动电路的原理图。

图5是本发明电磁型欠压脱扣器最优实施例的控制过程原理图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1～5所示，本发明提供了一种电磁型欠压脱扣器，包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，滤波整流电路的输入端接电网电压并在输出端输出直流电压VH，直流电压VH接入到电源电路和采样电路，电源电路输出第一工作电压VCC1到控制模块和驱动模块，输出第二工作电压VCC2到驱动模块，所述采样电路输出采样信号SA到控制模块，电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的启动绕组和工作绕组，启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，驱动模块包括第一驱动电路和第二驱动电路，控制模块向第一驱动电路输出第一控制信号P1，第一驱动电路的输出端与启动绕组的一端连接，启动绕组的另外一端接直流电压VH，控制模块向第二驱动电路输出第二控制信号P2，第二驱动电路的输出端与工作绕组的一端连接，工作绕组的另外一端接直流电压VH，滤波整流电路包括EMC电路和整流桥B1，EMC电路的输入端接电网电压，输出端与整流桥B1连接，整流桥B1的负输出端接地，正输出端输出直流电压VH，采样电路包括电阻R1、R2和并联在电阻R2两端的电容C0，电容C0用于抗高频干扰，整流桥B1的正输出端依次串联电阻R1、R2后接地，采样信号SA为电阻R1和电阻R2之间的引出电压，电源电路包括电阻RW1、RW2，三极管WT，稳压二极管Z1，电容CD1、CD2、CD3和三端稳压器W1，整流桥B1的正输出端接电阻RW1的一端和RW2的一端，电阻RW1的另外一端与三极管WT的集电极连接，电阻RW2的另外一端与三极管WT的基极连接，三极管WT的基极还与稳压二极管Z1连接，三极管WT的发射极输出第二工作电压VCC2，三极管WT的发射极还接电容CD1和三端稳压器W1的输入端，三端稳压器W1的输出端输出第一工作电压VCC1，三端稳压器W1的输出端与电容CD2、CD3连接，电源电路还可以是串联式降压电源、开关式隔离或者非隔离电源，第一工作电压VCC1为5V，第二工作电压VCC2为12V，控制模块包括单片机PIC12F675和拨码开关SW，单片机PIC12F675的GP0引脚输出第一控制信号P1，GP1引脚输出第二控制信号P2，GP2引脚与拨码开关SW连接，GP3引脚设定为MCLR，作为复位输入端，GP4引脚和GP5引脚接采样信号SA，GP4引脚用于电网电压的过零检测，铁芯完全吸合后，对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，防止工作绕组发热；VSS引脚与三端稳压器W1的输出端连接，VDD引脚接地，第一驱动电路包括三极管T1、T2、T3，电阻RT1、RT2、RT3、RT4，电容C1、C2和MOS管Q1，电容C1并联在电阻RT1两端，电容C2并联在电阻RT2两端，电容C1、C2为加速电容，三极管T1的基极接三端稳压器W1的输出端，集电极分别与电阻RT3的一端和三极管T2的基极连接，三极管T1发射极与电阻RT1的一端连接，电阻RT1的另外一端接单片机PIC12F675的GP0引脚，电阻RT3的另外一端接第二工作电压VCC2，单片机PIC12F675的GP0引脚还与电阻RT2的一端连接，电阻RT2的另外一端接三极管T3的基极，三极管T3的发射极接地，集电极分别与电阻RT4的一端和MOS管的栅极连接，电阻RT4的另外一端与三极管T2的集电极连接，三极管T2的发射极接第二工作电压VCC2，MOS管Q1的源极接地，漏极接启动绕组的一端；第一控制信号P1低电平时，三极管T1的发射极被电阻RT1偏置而导通，三极管T2也同时导通，12V电压经电阻RT4限流，加载到MOS管Q1，Q1导通，启动绕组得电，此时，三极管T3基极无偏置电压而截止；第一控制信号P1高电平时，三极管T1的发射极被电阻RT1反向偏置而截止，三极管T2的基极由电阻RT3上拉为高电平而截止，三极管T3的基极由电阻RT2偏置而导通，MOS管Q1的栅极电荷被释放，启动绕组失电；启动绕组的另外一端接整流桥B1的正输出端，第二驱动电路可以与第一驱动电路的结构完全相同，也可以是不同的例如SCR驱动电路，启动绕组的两端还并联有反向二极管D1，工作绕组的两端还并联有反向二极管D2，反向二极管D1和D2用于续流启动绕组和工作绕组在关断时间反峰电流，保护第一驱动电路和第二驱动电路。

一种电磁型欠压脱扣器的控制方法，包括：

(a)输入电网电压前，在单片机PIC12F675中录入程序，通过程序设定第一电压值U1、第二电压值U2和第三电压值U3，电网电压的额定电压值为Ue，28％Ue≤U1≤32％Ue，48％Ue≤U2≤52％Ue，80％Ue≤U3≤85％Ue；

(b)电网电压输入滤波整流电路，电压值从0升至额定电压值Ue，

当采样信号SA＝U1时，GP1引脚输出第二控制信号P2，第二驱动电路控制工作绕组持续得电，铁芯为脱扣状态，工作绕组获得维持电磁铁吸合的基本功率；

当采样信号SA＝U2时，时间点为t₁，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个的脉冲信号，脉冲时间宽度t₀，第一驱动电路控制启动绕组短暂得电后失电，铁芯完成预吸合动作，根据脉冲时间宽度t₀，铁芯执行完全吸合的行程1/3后返回为脱扣状态，铁芯执行预吸合动作的行程越短电磁铁的临界振荡周期为T_s，单片机PIC12F675计算得到电网电压的电压值的上升速度为s，脉冲时间宽度t₀与电网电压的上升速度s成反比，即上升速度s越大，t₀越小；

当采样信号SA＝U3时，时间点为t₂，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，第一驱动电路控制启动绕组得电，铁芯完全吸合后并维持为吸合状态，根据s和T_s设定U2和U3，使t₂-t₁＝T_s，从而实现谐振式吸合，确保铁芯的可靠吸合；单片机PIC12F675通过GP4引脚进行电网电压过零检测，并以过零点为时间基准对第二控制信号P2的输出进行斩波控制，斩波控制降低第一驱动电路和第二驱动电路中开关元件的电压应力，在过零点附近不斩波，以保持过零点附近瞬时功率仍然大于电磁铁最小维持功率；

(c)当电网电压的电压值从额定电压值Ue逐渐降低，采样信号SA＝U2时，GP1引脚停止输出第二控制信号P2，第二驱动电路停止驱动工作绕组，工作绕组失电，铁芯由电磁铁内部复位弹簧力作用弹出，顶开断路器锁扣机构，实现断路器脱扣分闸；调节拨码开关SW并将信号T输入GP2，单片机PIC12F675对信号T进行A/D转换并控制GP1引脚的断开时间,拨码开关SW为三位拨码开关，全部断开是，信号T电压值最高，表示瞬时脱扣，其它组合可表示七种延时值。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种电磁型欠压脱扣器，其特征在于：包括滤波整流电路、采样电路、电源电路、控制模块、驱动模块和电磁铁，所述滤波整流电路的输入端接电网电压并在输出端输出直流电压VH，所述直流电压VH接入到电源电路和采样电路，所述电源电路输出第一工作电压VCC1到控制模块和驱动模块，输出第二工作电压VCC2到驱动模块，所述采样电路输出采样信号SA到控制模块，所述电磁铁包括铁芯和缠绕在铁芯上的启动绕组和工作绕组，所述启动绕组的直流阻抗小于工作绕组的直流阻抗，所述驱动模块包括第一驱动电路和第二驱动电路，所述控制模块向第一驱动电路输出第一控制信号P1，所述第一驱动电路的输出端与启动绕组的一端连接，所述启动绕组的另外一端接直流电压VH，所述控制模块向第二驱动电路输出第二控制信号P2，所述第二驱动电路的输出端与工作绕组的一端连接，所述工作绕组的另外一端接直流电压VH；

所述滤波整流电路包括EMC电路和整流桥B1，所述EMC电路的输入端接电网电压，输出端与整流桥B1连接，所述整流桥B1的负输出端接地，正输出端输出直流电压VH，所述采样电路包括电阻R1、R2和并联在电阻R2两端的电容C0，所述整流桥B1的正输出端依次串联电阻R1、R2后接地，所述采样信号SA为电阻R1和电阻R2之间的引出电压；

所述电源电路包括电阻RW1、RW2、三极管WT和三端稳压器W1，所述整流桥B1的正输出端接电阻RW1的一端和RW2的一端，所述电阻RW1的另外一端与三极管WT的集电极连接，所述电阻RW2的另外一端与三极管WT的基极连接，所述三极管WT的发射极输出所述第二工作电压VCC2，所述第二工作电压VCC2连接三端稳压器W1的输入端，所述三端稳压器W1的输出端输出所述第一工作电压VCC1；

所述控制模块包括单片机PIC12F675和拨码开关SW，所述单片机PIC12F675的GP0引脚输出第一控制信号P1，GP1引脚输出第二控制信号P2，GP2引脚与拨码开关SW连接，GP3引脚设定为MCLR，GP4引脚和GP5引脚接采样信号SA，VSS引脚与三端稳压器W1的输出端连接，VDD引脚接地；

所述第一驱动电路包括三极管T1、T2、T3,电阻RT1、RT2、RT3、RT4,电容C1、C2和MOS管Q1，所述电容C1并联在电阻RT1两端，所述电容C2并联在电阻RT2两端，所述三极管T1的基极接三端稳压器W1的输出端，集电极分别与电阻RT3的一端和三极管T2的基极连接，三极管T1发射极与电阻RT1的一端连接，所述电阻RT1的另外一端接单片机PIC12F675的GP0引脚，所述电阻RT3的另外一端接第二工作电压VCC2，所述单片机PIC12F675的GP0引脚还与电阻RT2的一端连接，电阻RT2的另外一端接三极管T3的基极，所述三极管T3的发射极接地，集电极分别与电阻RT4的一端和MOS管Q1的栅极连接，所述电阻RT4的另外一端与三极管T2的集电极连接，所述三极管T2的发射极接第二工作电压VCC2，所述MOS管Q1的源极接地，漏极接启动绕组的一端，所述启动绕组的另外一端接整流桥B1的正输出端。

2.如权利要求1所述的电磁型欠压脱扣器，其特征在于：所述启动绕组的两端还并联有反向二极管D1，所述工作绕组的两端还并联有反向二极管D2。

3.如权利要求1或2所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于：包括：

(a)输入电网电压前，在单片机PIC12F675中录入程序，通过程序设定第一电压值U1、第二电压值U2和第三电压值U3，电网电压的额定电压值为Ue，28％Ue≤U1≤32％Ue，48％Ue≤U2≤52％Ue，80％Ue≤U3≤85％Ue；

(b)电网电压输入滤波整流电路，电压值从0升至额定电压值Ue，

当采样信号SA＝U1时，GP1引脚输出第二控制信号P2，第二驱动电路控制工作绕组持续得电，铁芯为脱扣状态；

当采样信号SA＝U2时，时间点为t₁，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，脉冲时间宽度t₀，第一驱动电路控制启动绕组短暂得电后失电，铁芯完成预吸合动作，根据脉冲时间宽度t₀，铁芯执行完全吸合的行程1/2～1/4后返回为脱扣状态；

当采样信号SA＝U3时，时间点为t₂，GP0引脚输出第一控制信号P1，第一控制信号P1为一个脉冲信号，第一驱动电路控制启动绕组得电，铁芯完全吸合后并维持为吸合状态；

(c)当电网电压的电压值从额定电压值Ue逐渐降低，采样信号SA＝U2时，GP1引脚停止输出第二控制信号P2，第二驱动电路停止驱动工作绕组，工作绕组失电，铁芯脱扣。

4.如权利要求3所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于：所述电磁铁的临界振荡周期为T_s，(b)中单片机PIC12F675计算得到电网电压的电压值的上升速度为s，根据s和T_s设定U2和U3，使t₂-t₁≈T_s。

5.如权利要求3所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于：(b)中单片机PIC12F675通过GP4引脚进行电网电压过零检测，并以过零点为时间基准对第二控制信号P2的输出进行斩波控制。

6.如权利要求3所述的电磁型欠压脱扣器的控制方法，其特征在于：(c)中调节拨码开关SW并将信号T输入GP2，所述单片机PIC12F675对信号T进行A/D转换并控制GP1引脚的断开时间，使电磁铁延时脱扣或者瞬时脱扣。